基于虛擬實驗室的中學化學實驗教學創新研究

來源:用戶上傳      作者:王文 何盼 占小紅

　　摘要：為更加系統、精細地利用虛擬實驗室實現中學化學實驗教學創新，充分考慮虛擬實驗室技術的功能特點與實驗教學的價值，建立適合于探討利用技術開展創新實踐的實驗教學分類，即認知型實驗教學、操作型實驗教學和設計型實驗教學，并從課題創設、內容設計或活動開展角度展開基于虛擬實驗室的實驗教學創新策略的研究。
　　關鍵詞：虛擬實驗室；化學實驗教學；實驗分類；教學創新
　　文章編號：1008-0546（2023）03-0082-07 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B
　　doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.03.018
　　虛擬實驗室是20世紀末逐漸發展起來的一項利用計算機技術、虛擬現實技術構建的開放式網絡化的虛擬實驗教學系統，是目前備受期待的教育技術之一。[1]將虛擬實驗室技術應用于中學化學實驗教學，學生能自由靈活地操作儀器和藥品，相比于實際化學實驗教學，具有能突破藥品、儀器、設備等實驗環境條件限制、壓縮實驗時間、消除實驗危險性和污染性的優勢。[2]
　　目前利用虛擬實驗室改變中學化學實驗教學方式的研究多為基于虛擬實驗室功能的應用研究，如利用虛擬實驗室的功能進行案例設計、教學實踐和效果考察[3]等。但在實際使用虛擬實驗室教學的過程中，由于許多中學化學實驗的原理、操作或現象具有復雜性，[4]如有機實驗中常包含較多的內容分支，涉及繁瑣的實驗操作與現象呈現，需要綜合、多元地調用虛擬實驗室的功能才能完成實驗教學。在這樣的背景下，基于虛擬實驗室的功能開展的應用研究便會出現缺乏精細化和系統性的弊端，這類研究雖能指引我們了解到虛擬實驗室的某一功能在教學上的優勢，但沒有切實針對某一化學實驗的特點，給出系統地調用虛擬實驗室功能和資源的策略指導，有時甚至還會導致教師進入“為了用而用”的誤區，致使對虛擬實驗室應用的水平整體不高。因此我們需要立足化學實驗的復雜性，從中學化學實驗教學分類的角度出發，根據虛擬實驗室技術的功能及實驗教學的價值，建立適合于探討利用技術開展創新實踐的實驗教學分類，細致地探討每種分類下虛擬實驗室技術在化學實驗教學中的應用，才能更好地發揮技術的作用，促進實驗教學創新的精細化和實效化。
　　一、虛擬實驗室及其功能分析
　　1.虛擬實驗室概述
　　按照實現技術的不同，虛擬實驗室可分為兩大類。[5]第一類是以純軟件的方式實現，是一套基于普通計算機的小型桌面虛擬現實系統，用戶僅需下載軟件或通過網頁在線訪問即可完成實驗。第二類虛擬實驗室是以軟硬件結合的方式實現，它采用的封閉的場景和音響系統將用戶的視聽覺和外界隔離，使用戶完全置身于計算機生成的環境中，用戶需要佩戴頭盔、數據手套等硬件才能完成實驗。第二類虛擬實驗室沉浸度雖更高，但系統造價昂貴且技術要求極高，相比起來第一類結構簡單，易于推廣使用，更適合應用于中學化學實驗教學中。由此，本研究基于第一類純軟件類型的虛擬實驗室進行中學化學實驗教學創新。
　　純軟件方式實現的虛擬實驗室根據空間維度的不同又可分為2D 虛擬實驗室和3D 虛擬實驗室兩種。2D 實驗室即在平面上完成各項實驗操作，交互環境相比3D較為簡陋，但可以隨意使用倉庫中的所有儀器藥品，可操作性較強。如廣受美國高中化學教師喜愛的 ChemCollective虛擬實驗室，即為2D虛擬實驗室的一種，它的實驗室操作界面如圖1所示，左側為倉庫，包括各類實驗藥品和儀器，如鹽酸、氫氧化鈉溶液、酒精燈等等，右側為實驗臺，用戶通過鼠標點擊、拖拽等方式在實驗臺上填裝藥品、搭建裝置、進行實驗。
　　3D虛擬實驗室環境更為逼真，它可以全方位、全角度地展示器材，在立體空間內對一些物質進行移動、縮放、旋轉等操作，更大程度上還原真實實驗過程，學生的交互感更強，更易沉浸其中。如圖2即為一款3D 虛擬實驗室的界面圖。但因為3D 虛擬實驗室開發難度較大，技術要求更高，市面上現有開放的3D 虛擬實驗室并不多。
　　2.虛擬實驗室功能分析
　　現有研究對虛擬實驗室的功能介紹主要從其自身角度出發，為了使虛擬實驗室在中學化學實驗教學中發揮更大價值，需要從化學實驗教學的需要視角審視虛擬實驗室技術的功能特點。實驗現象、實驗操作是實驗教學中兩大核心要素，虛擬實驗室技術的特有功能為傳統實驗教學在實驗現象展示、實驗操作處理方面都帶來了新的突破。
　　在實驗現象展示方面，虛擬實驗室能夠模擬中學化學實驗中除氣味外幾乎所有物理特性。在虛擬實驗臺上調出藥品，即可展示出它們的形貌、顏色、狀態等，用鼠標點擊試劑，即可在信息欄中看到其溫度、濃度、體積、所含離子及離子濃度、pH 等信息。虛擬實驗室可以展現出真實化學反應過程中豐富的實驗現象，如顏色變化、電流變化、沉淀生成等等，還可以對物質進行縮放旋轉、全方位觀察。尤為一提的是，虛擬實驗室還可以模擬傳統實驗中肉眼觀察不到的微觀變化和能量變化過程，使得學生可以在宏觀與微觀兩個層面上更深入地探尋知識本質，促進對知識的理解。
　　在實驗操作處理方面，虛擬實驗室除了可以提供中學化學實驗中無盡的各類儀器藥品，讓學生在實驗臺上實現取用、配制、搭建裝置等等常規實驗操作，還可以對傳統實驗操作進行優化，如通過迅速升溫、加快滴定速度、加快時間流逝等方式加快實驗進程。部分實驗室還具有語音提示、錯誤操作提醒、打分等功能，允許學生進行錯誤操作嘗試，在W生得到錯誤的實驗結果后虛擬實驗室會通過語音提示指出錯誤原因，并且在整個實驗結束后展示實驗得分和扣分點，以此讓學生更清晰地了解到實驗操作細節和注意事項。
　　此外，虛擬實驗室取之不盡用之不竭的開放資源庫使得學生可以在實驗課后反復練習，沒有空間地域限制，沒有危險顧慮，學生無需教師監管，便可隨意大膽地在虛擬實驗室中進行實驗演練、創造。上述虛擬實驗室的功能特性有效解決了當下實驗教學中材料成本高、準備時間久、課堂效率低等問題，適宜在中學化學實驗教學中加以利用。

　　二、虛擬實驗室支持下的不同類型化學實驗教學創新
　　通過對已有文獻的查閱，發現學者們目前對中學化學實驗教學的分類主要包括以下幾種：根據操作主體是教師或學生分為教師演示實驗教學、學生分組實驗教學、師生互動實驗教學；[6]根據實驗項目分為基礎技能實驗教學、性質驗證實驗教學、表征分析實驗教學、基礎合成實驗教學、專業訓練實驗教學、創新訓練實驗教學；[7]根據技能J知目標分為體驗型實驗教學、應用型實驗教學、創新型實驗教學；[8]根據促進學生發展的功能分為形成性實驗教學、操作性實驗教學、探究性實驗教學。虛擬實驗室相較于傳統實驗室，其特有的信息化技術使得化學實驗教學的功能有了新的突破，如帶來傳統實驗教學中難以呈現的微觀視角或具體到每一個實驗操作的細節指導等；化學實驗教學的功能或目的在于使學生理解實驗蘊含的化學原理、掌握完成實驗所需的化學技能以及進一步培養學生的創新能力。本研究充分考慮虛擬實驗室技術的功能特點與實驗教學的價值，建立適合于探討利用技術開展創新實踐的實驗教學分類，并展開實驗教學創新策略的研究。
　　1.虛實結合，感知“微”“能”變化――認知型實驗教學
　　認知型實驗教學是學生從直觀的實驗現象中獲得正確、全面的化學概念認知的教學過程，其“重感知，旨在形成化學概念的認知”。認知型實驗教學過程中學生自主實驗或教師演示實驗，學生著重對實驗現象進行觀察，通過感受實驗現象中物質的某種特性或變化，形成對該現象的正確認知，最終轉化形成化學概念。但在此教學過程中，傳統實驗無法呈現反應過程中的微觀變化與能量變化，教師僅能通過板書或播放動畫等形式替代講解，不能將微觀或能量變化與宏觀現象直觀地聯系起來，使得學生理解知識時存在一定困難。
　　虛擬實驗室的引入可以讓認知型實驗教學在實驗課題創設和教學內容設計方面實現創新。在實驗課題創設上，傳統實驗教學只能讓學生觀察到宏觀實驗現象，實驗課題也只能局限于宏觀層面。而虛擬實驗室在模擬出豐富宏觀實驗現象的基礎上，還能展現反應中的微觀變化和能量變化，使學生對反應原理和規律形成深入理解。因此引入虛擬實驗室的認知型實驗教學可以創設一些包含化學反應的微觀變化和能量變化規律認知的實驗課題，如化學鍵形成、化學反應中的熱效應等。
　　同樣，在認知型實驗教學的內容設計方面，相應地，在上述以微觀變化和能量變化為主題的實驗活動中，可以利用虛擬實驗室精細設計反應微觀變化和能量變化的內容，如在講解反應熱與焓變知識時，在開展一些帶領學生感受反應吸熱放熱、測定中和熱的實驗活動的基礎上，還可以利用虛擬實驗室增加對反應物、生成物能量模擬的實驗，如圖3所示，讓學生將代表反應物和生成物的能量球放在能量模型中不同高低的位置，結合虛擬實驗室模擬的動態能量變化曲線，更深入地理解ΔH 這一概念。
　　此類基于虛擬實驗室探索反應微觀本質或能量變化規律的認知型實驗活動的教學組織，強調對微觀本質或能量變化規律的直觀現象觀察和對應的宏觀現象觀察的結合，這樣學生可以由宏觀出發，產生對微觀變化或能量變化的猜想或推理，并通過直觀的模擬現象的觀察得以驗證或修正。為此，該類實驗通常以虛實結合，即真實實驗（教師真實演示實驗）和虛擬實驗（虛擬實驗室實驗）結合的策略開展認知型實驗教學。在具體的實驗教學過程中，第一個環節進行真實的教師演示實驗，以講解人教版必修二化學反應與電能關系的知識時，教材建議進行的銅鋅原電池實驗為例，該實驗是學生首次接觸原電池知識，并且由于實際實驗裝置效率較低，會出現鋅片上也產生氣泡的非理想情況現象，若直接在此處進行電化學原理講解，學生往往難以理解。為了讓學生更清晰地理解此過程，認知型實驗教學的第二個環節，使用虛擬實驗室進行虛擬實驗。該銅鋅原電池虛擬實驗模擬了原電池效率最大的情況，規避連接導線后鋅片上也產生氣泡的現象，并且將肉眼看不到的微觀物質，如電子、離子以特定符號的形式呈現，如圖4所示，將Zn2+、 SO H+、電子用標記有化學符號的小球表示，呈現出動態的電子轉移過程：鋅片失去電子變成鋅離子，失去的電子經過導線傳到銅片一側，溶液中的氫離子得到該電子變成氫氣。虛擬實驗直觀地呈現了反應的微觀實質，極大地促進了學生對原電池知識的消化。此外，虛擬實驗室對于該實驗還加快了鋅片的腐蝕效率，使學生可以迅速觀察到鋅片大量溶解，對實驗現象印象更深刻。形成型實驗教學的最后環節，教師要比較說明真實實驗與虛擬實驗差異的原因，對整個實驗蘊含的化學原理進行總結梳理，確保學生形成正確認知。
　　2.大膽試錯，操作監督強化――操作型實驗教學
　　操作型實驗教學是學生在教師講解完實驗基本知識后，自行使用實驗儀器和藥品，搭建裝置啟動實驗，記錄實驗現象，形成并分析實驗結論的教學過程。操作型實驗教學要“重操作，旨在強化實驗方法的訓練”，這一過程中“操作”訓練格外重要，通過讓學生學會組裝儀器、理清實驗操作邏輯、規范實驗操作細節，進而使學生的實驗方法得到訓練、實驗素養得以提升。但傳統操作型實驗教學過程中，為保護學生人身安全，教師常會“束縛”學生的一些操作嘗試，這不利于學生創新精神及批判性思維的培養；并且由于課堂學生過多，教師無法為每一位學生提供細致的監督指導，學生的一些操作陋習可能遲遲得不到糾正。
　　虛擬實驗室的引入可以讓操作型實驗教學的實驗課題和教學內容擁有傳統實驗無法實現的設計。在實驗課題創設上，傳統實驗教學往往只引導學生實現正確的實驗操作步驟，尤其考慮到在真實條件下進行錯誤操作會因反應現象劇烈甚至實驗儀器爆炸等對學生造成傷害，以及如有機合成中錯誤操作會生成大量副產物，浪費藥品且伴隨未知風險，故傳統操作型實驗教學的課題往往是某一溶液的配制、某一物質的制備等。但這種直指正確實驗操作、回避實驗“意外”結果的實驗課題不利于學生批判性思維的培養，學生會認為實驗就應該那樣做，而忽略對更改某一實驗細節是否會得到完全不同的實驗結果的思考，創新能力也沒能得到良好提升。虛擬實驗室顯然可以規避上述風險或資源浪費，引入虛擬實驗室的操作型實驗教學可以創設一些非理想情況的實驗課題，從批判性的角度、考慮實驗錯誤操作帶來的后果的角度創設實驗課題，如將濃硫酸稀釋實驗變為“濃硫酸稀釋正確與錯誤操作結果對比”，將乙炔的制備實驗變為“乙炔制備時除雜與否帶來的現象差異”，將乙酸乙酯的制備延伸為“乙酸乙酯制備中何時有副產物生成？”等等。

　　在操作型實驗教學的內容設計方面，虛擬實驗室的AI語音助手、對學生錯誤操作的允許及錯誤操作后的“慘烈”后果提醒、實驗打分功能是其相比傳統實驗教學的一大優勢，因此我們可以充分發揮虛擬實驗室的這些功能，來優化涉及多個環節、操作較為復雜、存在關鍵易錯點的實驗，以及用到有毒有害的有機試劑、存在一定危險的實驗的教學。如在苯的溴代反應、苯的硝化反應、石油的分餾等驗教學中就可以讓學生在虛擬實驗室中預習或直接虛擬實驗代替傳統實驗，利用虛擬實驗室平臺的監測功能，使學生的每一步實驗操作都得到認可或指正。
　　此類基于虛擬實驗室的操作型實驗活動的教學組織，強調學生親自實踐，并通過教師提示或自身反思總結實驗操作中的問題，最后再進行操作以加強感受和加深印象。在具體的教學組織中，首先，讓學生自行實驗。以人教版高中化學選擇性必修三“烯烴炔烴”中乙炔的化學性質實驗為例，教師在講解完乙炔的結構后，請學生使用虛擬實驗室驗證：乙炔可以像乙烯一樣發生氧化反應和加成反應嗎？學生按照教材的提示自行使用儀器藥品、搭建裝置、進行實驗。這一過程中，教師不要講解實驗的關鍵點和關鍵細節，讓學生大膽嘗試。學生完成實驗后，虛擬實驗室會對實驗結果進行反饋，給出實驗得分并告知學生扣分原因。接著，教師結合學生失誤點，講述實驗要點。如乙炔的化學性質實驗中學生往往會未打開分液漏斗活塞就擰開分液漏斗旋塞進行滴液，將使用后的導管直接放在實驗臺上，以及忽略將使用完的試劑瓶放回原處等細節，在傳統實驗教學中往往一個教師監管多名學生，教師精力不夠，學生的這些失誤常被忽略，而虛擬實驗室平臺的全程監測可以很好地解決這一問題。此外，實驗過程中學生若忘記搭建除雜裝置，虛擬實驗室不會立刻阻止學生，而是在整個實驗裝置搭建完畢，正式開始實驗，生成的乙炔通入后續溶液時才跳出錯誤提示，告知學生制得的乙炔不純，要檢查裝置重新實驗。這種呈現的時機給予了學生對實驗裝置的思考空間，并加深學生對錯誤操作的認知。教師與虛擬實驗室的合力讓學生對實驗操作流程、細節更深刻地掌握。最后，學生再次實驗。虛擬實驗室因其操作簡便和能加快反應進程，可以大大節約時間，因此允許學生在課堂上結合前次的錯誤原因，改進實驗操作，重新實驗，直至最后得到滿分。乙炔的化學性質實驗裝置圖及實驗得分如圖5所示。
　　3.資源無限，課題創設優化――設計型實驗教學
　　設計型實驗教學是指學生在教師創設的實驗情境下，即教師給定實驗課題和實驗目的，學生利用已有化學知識或查閱其他資料，以獨立自主或小組討論的形式設計并實施實驗方案，最后分析總結實驗結果的教學過程。設計型實驗教學要“重設計，旨在推動創新能力的提升”，此種教學是對學生能否靈活運用化學基礎知識和基本實驗技能的考驗，學生在該過程中要大膽設計、敢于嘗試、以求突破，對實驗不斷涌出新想法的過程正是對學生創新能力的培養，因此教師要充分調動學生的主動性做“設計”，激發學生潛能。但由于學校實際實驗資源、化學課時的局促，限制了設計型實驗教學的開設內容與次數，教師、學生空有好想法卻無法實施。
　　虛擬實驗室開放、無限的實驗資源，靈活、自主的實驗方式可以為設計型實驗教學在實驗課題開發、教學內容設計和活動開展方面均帶來創新空間。在設計型實驗教學的實驗課題開發和教學內容設計方面，傳統實驗教學常因實驗儀器、藥品資源不足，準備實驗材料時間過長等受到局限，而虛擬實驗室的線上資源庫可以很好地克服這一困難。教師可以利用虛擬實驗室中的資源，從對實驗儀器的拓展和對教材實驗方法的生活化應用兩個角度構建設計型實驗課題及其具體教學內容。第一，對實驗儀器的拓展，利用虛擬實驗室向學生展示現代化的儀器如氧彈量熱儀、電化學工作站等，引導學生根據這些儀器的功能對教材某一實驗的原有實驗方案進行改進，以期優化達成該實驗的實驗目標的路徑，教學最后還可以引導學生比較使用新儀器后的結果與原有實驗的不同。第二，對教材實驗方法的生活化應用，在虛擬實驗室中運用教材講述的物質檢測等方法對一系列生活中常見物質進行遷移應用，鞏固學生對實驗方法的掌握，并進一步激發學生學習化學的興趣。
　　在設計型實驗教學的活動開展方面，傳統實驗教學中因條件、時間、安全性等因素的限制，學生自主設計實驗方案的環節只能停留在查閱文獻、小組討論、請教老師的層面，而虛擬實驗室的引入為學生設計方案的過程提供了試錯的機會，學生可以通過虛擬實驗室反饋的“報錯”“無現象”等結果輸出、原因提示和現象呈現對方案不斷進行調整、優化和迭代，將設計實驗方案的教學活動移步至虛擬實驗室中。此外，虛擬實驗室還可以允許學生通過不同的電子設備進入同一個虛擬實驗臺，這就支持學生以小組合作的形式，在同一虛擬實驗臺上合力取用藥品、搭建實驗裝置、完成實驗，避免了組內因分工不同使得一些同學沒有實驗參與感、交互感的情況發生。
　　此類基于虛擬實驗室的設計型實驗活動的教學組織，強調學生的主體性，學生要靈活調用各類資源為方案的設計服務，勇于在不斷受挫中更新迭代實驗方案，推動自身創新能力的提升。具體的教學過程可以按照“創設情境-原理提示-設計方案-方案修訂-實施方案-結果總結”的流程開展。例如教師在講解人教版選擇性必修一“水的電離和溶液的pH”時，可以在教材內容基礎上增設拓展性實驗――滴定檢測桃汁中維生素C含量，開展設計型實驗教學。教師先創設情境，介紹維生素C美白、延緩衰老等的作用，激發學生對桃汁中維生素C含量測定的興趣；接著給出原理提示：維生素C可以和單質碘反應；單質碘易升華，實驗中用到單質碘時一般由碘酸鉀與碘化鉀在酸性條件下反應現制備；淀粉遇碘變藍等。至此，學生開始靈活調用各種資源設計實驗方案，在本課題下學生經常會忽視加鹽酸使體系呈酸性，對哪些溶液放在滴定管、哪些溶液放在錐形瓶一籌莫展，以及搞不清各種溶液濃度、體積的比例，這些問題可以都通過小組討論的形式、或在虛擬實驗室和教師的幫助下解決。方案修訂完成后，學生在虛擬實驗室進行對桃汁中維生素C含量的定量檢測，并對實驗結果進行總結。滴定檢測桃汁中維生素 C含量虛擬實驗滴定過程及滴定終點的實驗現象如圖6所示。

　　三、總結與展望
　　作為目前最受期待的教育技術之一，虛擬實驗室具有應用于中學化學課堂的巨大潛力。本研究充分考慮虛擬實驗室技術的功能特點與實驗教學的價值，建立適合于探討利用技術開展創新實踐的中學化學實驗教學分類，即認知型實驗教學、操作型實驗教學和設計型實驗教學，并從課題創設、內容設計或活動開展角度展開基于虛擬實驗室的實驗教學創新策略的研究。
　　研究發現，認知型實驗教學中，要充分發揮虛擬實驗室能夠呈現反應微觀變化和能量變化的優點，以真實實驗（教師真實演示實驗）和虛擬實驗（虛擬實驗室實驗）結合的策略促進學生對化學概念的認知。操作型實驗教學中，可以利用虛擬實驗室創設批判性的、允許錯誤操作發生的實驗課題，優化繁瑣、有毒的實驗，并以學生先親自實踐，教師提示或自身反思總結實驗操作中的問題，最后再進行操作加強感受和加深印象的策略開展教學組織，通過教師與虛擬實驗室的合力讓學生對實驗操作流程、細節更深刻地掌握。設計型實驗教學中，利用虛擬實驗室的資源，從對實驗儀器的拓展和對教材實驗方法的生活化應用兩個角度來創設實驗課題及其具體內容，以鼓勵學生在虛擬實驗室中試錯、修改、完成實驗方案的策略，使學生的創新能力得到提升。虛擬實驗室引入后對實驗教學內容和活動形式的同步創新，更有助于學生設計方案本領的提升，更大限度地激發出創新潛能。
　　但由于技術方面的限制，虛擬實驗室如今在教學方面的使用還有一些遺憾，比如沒有氣味，部分實驗會存在顏色失真、操作有失規范的情況，希望隨著科技的發展，這些遺憾可以盡早解決，未來虛擬實驗室能夠在中學化學實驗教學中得到更廣泛的應用。
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